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Verfahren zur Verbrennung von Kohlenstaub mit einem Kohlen-
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staubbrenner staubbrenner Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Verbrennung von Kohlenstaub gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Bei der Verbrennung von Kohlenstaub mit einem Kohlenstaubbrenner liegt
der Anteil des durch die vollständige Verbrennung des Kohlenstaubes entstehenden
NO (Stickoxid) in einem Bereich zwischen 500 und 600 ppm (Teile pro Million).
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Die Freisetzung des Abgases, das einen hohen Anteil an NO enthält,
sollte hinsichtlich der Umweltbelastung vermieden werden.
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Erfahrungsgemäß bewirkt eine zweistufige Verbrennung und ein Abgasrecycling,
daß der Anteil des durch die Verbrennung des Kohlenstaubes entstehenden NO vermindert
wird. In einer bekannten Zwei-Stufen-Verbrennung ist es bisher üblich, den Kohlenstaub
zu verbrennen, indem der Anteil der für die Verbrennung in der zweiten Stufe notwendigen
Luft auf 20 % oder weniger derjenigen für die Verbrennung erforderlichen Luft begrenzt
wird und indem das Abgas in einem Verhältnis von 20 % oder weniger dazu gemischt
wird. Der Grund für die Wahl dieser Verhältnisse ist, daß bei Anwachsen des Luft-
Anteiles
für die Verbrennung in der zweiten Stufe über das vorstehend genannte Limit der
Anteil der unverbrannten Luft anwachsen würde und, falls das Abgas über das vorgenannte
Limit anwächst, der gesamte Verbrennungsvorgang unbeständig werden würde.
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Bei bekannten Verfahren zur Verbrennung des Kohlenstaubes kann der
Anteil des entstehenden NO nur auf einen Wert zwischen 200 und 300 ppm gesenkt werden.
Mit einem in einem Verhältnis von ungefähr 20 % hinzugefügten Anteil an Abgas hat
die für die Verbrennung notwendige Luft einen relativ hohen Mangel an °2 und folglich
vollzieht sich die Diffusion von O2 mit hoher Geschwindigkeit in Richtung Verbrennungszone,
so daß der Kohlenstaub im wesentlichen bei hoher Temperatur und mit hoher Geschwindigkeit
mit einem Überschuß an O2 verbrennt. Folglich verbrennt der Kohlenstaub in einer
nicht homogen stattfindenden Verbrennung, so daß die Flamme eine hohe Temperatur
aufweist und der Anteil des infolge der schnellen Verbrennung des Kohlenstaubes
mit einem hohen Anteil an O2 entstehenden NO anwächst. Bei einer schnellen Verbrennung
des Kohlenstaubes entstehen auch unverbrannte Komponenten NH3, HCN und CO und Kohlenwasserstoffe
die für Denitrationsreaktionen verantwortliche Aktiv-Zwischenprodukte darstellen.
Diese unverbrannten Komponenten werden verbrannt und verschwinden somit praktisch
sofort, so daß sie nicht zum Abbau des NO beitragen und dessen Anteil keine Verminderung
zeigt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben,
das dazu geeignet ist, den Anteil des bei der Verbrennung von Kohlenstaub mit einem
Kohlenstaubbrenner entstehenden NO so weit wie möglich herabzusetzen.
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Weiterhin liegt der Erfindung insbesondere die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren zur Verbrennung von Kohlenstaub in
zwei Stufen zu schaffen,
das den bei der Verbrennung des Kohlenstaubes entstehenden Anteil an NO auf einen
Wert unterhalb 100 ppm reduziert.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den kerlnzeichnenden Teil
des Anspruches 1 gelöst.
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Durchgeführte Untersuchungen zeigen, daß der Anteil des durch die
Verbrennung des Kohlenstaubes entstehenden NO wesentlich reduziert werden kann,
indem Maßnahmen ergriffen werden, daß der Kohlenstaub langsam bei niedriger Temperatur
mit geringem Anteil an O2 verbrennt und daß die unverbrannten Komponenten NH3, HCN
und CO einschließlich der Kohlenwasserstoffe, die Zwischenprodukte aktivieren, die
zur Denitrations-Reaktion geeignet sind, in großen Mengen gebildet werden, über
einen längeren Zeitraum unverbrannt vorhanden und an dem Abbau des gebildeten NO
wirksam beteiligt sind.
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Die vorliegende Erfindung basiert auf den obigen Ausführungen und
gibt ein Verfahren zur Verbrennung von Kohlenstaub an, das dazu geeignet ist, den
Anteil des gebildeten NO definitiv auf einen Wert unterhalb ioo ppm bei einer effektiven
Aufrechterhaltung der Verbrennung des Kohlenstaubes mit niedriger Geschwindigkeit
und niedriger Temperatur mit einem geringen Anteil an O2 zu halten, unabhängig davon,
ob der Kohlenstaub von hoher oder geringer Qualität ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verbrennen von Kohlenstaub weist
die Schritte auf, den Kohlenstaub unter Hinzufügung von Abgas zu der zur Verbrennung
notwendigen Luft in einer Menge, die in der Größenordnung zwischen 35 und 60 % derjenigen
Luft liegt, die zur Durchführung der Verbrennung in einer ersten Stufe notwendig
ist, zu verbrennen und die weitere Verbrennung unter Hinzu führung von Luft in einer
zweiten
Stufe mit einem Anteil, der im Bereich zwischen 25 und 35 % derjenigen Luft liegt,
die für die Verbrennung in dieser zweiten Verbrennungsstufe notwendig ist, durchzuführen.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der.nachfolgenden
Beschreibung eines erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der Zeichnung, die einen
Querschnitt eines Kohlenstaubbrenners zeigt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Verbrennung von Kohlenstaub
wird Kohlenstaub zusammen mit einem Primär-Luft strom A1 durch einen Verbrennungsluft-Auslaß
1 eines Kohlenstaubbrenners einem Ofen zugeführt, wobei er langsam, durch eine Wirbelvorrichtung
2 verwirbelt, strömt. Ein Sekundär-Luftstrom A2 wird zusammen mit Abgas durch einen
inneren, im Querschnitt ringförmigen Auslaß 3, der um den Verbrennungsluft-Auslaß
1 angeordnet ist, in den Ofen eingeblasen, wobei der Sekundär-Luftstrom A2 entweder
langsam verwirbelt, oder unverwirbelt, wie es auch der Fall sein kann, strömt. Ein
dritter Luftstrom A3 wird dem Ofen mit Abgas durch einen äußeren, im Querschnitt
ringförmigen Auslaß 4, der um den inneren, ringförmigen Auslaß 3 angeordnet ist,
zugeführt, wobei er verwirbelt strömt. Der zusammen mit dem Primär-Luftstrom A1
dem Ofen zugeführte Kohlenstaub wird verbrannt, um so eine erste Flamme 5 zu bilden.
Die erste Flamme 5 entsteht durch die langsame Verbrennung des Kohlenstaubes bei
niedriger Temperatur mit geringem Anteil an °2 und ist von geringer Helligkeit,
da der Primär-Luftstrom A1 etwa 20 bis 30 % derjenigen Menge der Luft enthält, die
zur vollständigen Verbrennung des damit dem Ofen zugeführten Kohlenstaubes notwendig
ist, wobei ein Vermischen mit Sekundärluft und einem dritten Luftstrom verhindert
wird. Die Verbrennung von leicht fluchtigen Komponenten V des Kohlenstaubes ist
hauptsächlich für die Bildung der
ersten Flamme 5 verantwortlich,
so daß der Kohlenstaub langsam bei niedriger Temperatur und mit einer Flamme geringer
Helligkeit verbrannt wird. Mit dieser Art der Verbrennung wird die Bildung von NO
in großem Umfang verhindert und die mehrfach erwähnten unverbrannten Komponenten,
die für eine Denitration verantwortliche Zwischenprodukte darstellen, werden in
großen Mengen gebildet und liegen für einen längeren Zeitraum in einem unverbrannten
Zustand vor. Folglich reagieren diese unverbrannten Komponenten mit NO, um lotztlich
das NO zu N2 zu reduzieren. Kohle, die in großer Menge als unverbrannte Komponente
in der ersten Flamme vorliegt, wird in einer zweiten Flamme 6 verbrannt. Die restlichen,
flüchtigen Bestandteile werden hauptsächlich durch den Sekundär-Luftstrom A2, der
durch den inneren ringförmigen Auslaß 3 zugeführt wird, um die zweite Flamme 6 zu
bilden, verbrannt. Der größte Teil der Kohle wird durch den Sekundär-Luftstrom A2
und den dritten Luftstrom A3 verbrannt, um so einen dritten Flammen-Bereich 7 zu
bilden. Die zweite Flamme 6 und die dritte Flamme 7 werden durch die Verbrennung
mit relativ langsamer Geschwindigkeit und bei niedriger Temperatur mit geringem
Anteil an O2 gebildet, da der Sekundär- und der dritte Luftstrom ungefähr 55 bis
88 % derjenigen Luftmenge aufweist, die zur Verbrennung des gesamten Kohlenstaubes
notwendig ist, und wobei die Luft Abgase zwischen 35 und 60 % enthält.
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Die zweite Flamme 6 und die dritte Flamme 7 haben folglich im Ganzen
gesehen einen Luftmangel, brennen aber langsam, so daß O2 darin vorhanden ist, obwohl
es nur eine geringe Konzentration hat. Die reduzierten Bestandteile (aktivierte
Zwischenprodukte), wie beispielsweise Kohlenwasserstoffe, NH3, HCN und CO, die nach
und nach aus der Kohle gebildet worden sind, reagieren in Gegenwart von °2 mit auf
der Stromaufwärtsseite gebildetem NO zur Reduktion von NO zu N2. In dem dritten
Flammen-Bereich 7 vollzieht sich die
Denitration schneller als die
Bildung von NO unter den Reduktionsmittel-Bedingungen. Deshalb wird die Reduktion
des NO in diesem Umfang vollzogen.
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Die Verbrennung der unverbrannten Bestandteile (Rest-Kohle) findet
in einem Endbereich der dritten Flamme 7 statt, wenn Zweistufen-Verbrennungsluft
dem Ofen, in dem die Verbrennung stattfindet, in einer Menge zugeführt wird, die
zwischen 25 und 35 % der zur vollständigen Verbrennung des Kohlenstaubes notwendigen
Luft mit einer Flammenbildung von geringer Helligkeit infolge der Verbrennung des
Kohlenstaubes mit geringer Geschwindigkeit und bei geringer Temperatur mit nicht-katalytischer
Denitration liegt.
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Der Grund dafür, daß der Anteil des mit der Verbrennungsluft vermischten
Abgases auf einen Wert zwischen 25 bis 60 % derjenigen Luft gesetzt wird, die zur
Verbrennung des Kohlenstaubes in dem Verfahren zur Verbrennung von Kohlenstaub gemäß
der Erfindung notwenidg ist, wird nun nachfolgend erläutert.
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Ist der Anteil unter 35 %, so hat die zur Verbrennung des Kohlenstaubes
notwendige Luft einen relativ hohen Bedarf an O2 und folglich ist die Diffusions-Geschwindigkeit
des °2 zu der Verbrennungs-Zone hin so hoch, daß der Kohlenstaub schnell bei hoher
Temperatur verbrannt wird. Die Verbrennung ist eine inhomogene Diffusions-Verbrennung
mit Bildung einer hellen Flamme, so daß der Anteil des bei der Verbrennung entstehenden
NO anwächst.Ist der Anteil über 60 %, so wird der Bedarf an O2 der für die Verbrennung
des Kohlenstaubes notwendigen Luft so niedrig, daß die Diffusions-Geschwindigkeit
des °2 zu der Verbrennungs-Zone hin zu niedrig wird, um eine Nicht-Verbrennung zu
unterbinden oder um eine unvollständige Verbrennung des Kohlenstaubes zu vermeiden.
Dies hat zur Folge, daß unverbrannte Bestandteile, besonders CO,in hoher Konzentration
entstehen. Folglich
wird der Bereich zwischen 35 und 60 % bevorzugt.
Ist der Wert innerhalb dieses Bereiches, so ist es möglich, den Anteil des bei der
Verbrennung des Kohlenstaubes entstehenden NO auf einen Wert unterhalb loo ppm zu
vermindern, unabhängig davon, ob der Kohlenstaub von hoher oder niedriger Qualität
ist.
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Der Grund dafür, daß der Anteil der Luft für die Verbrennung in der
zweiten Stufe auf einen Wert zwischen 25 bis 35 % der für die Verbrennung des Kohlenstaubes
in dem Verfahren zur Verbrennung von Kohlenstaub gemäß der vorliegenden Erfindung
notwendigen Luft gesetzt wird, wird nachfolgend beschrieben. Ist das Verhältnis
unterhalb von 25 %, sind die für die Reduzierung des NO notwendigen Anteile der
unverbrannten Bestandteile (Kohlenwasserstoffe NH3, HCN und CO) zu gering, um zu
ermöglichen, die Konzentration des NO auf einen Wert unterhalb 100 ppm zu vermindern.
Liegt das Verhältnis oberhalb von 35 %,so ist der Anteil der unverbrannten Bestandteile
übermäßig hoch, so daß, obwohl der Anteil des NO vermindert wird, die völlige Verbrennung
der unverbrannten Bestandteile, ungeachtet der Luftaufnahme für die Verbrennung
in der zweiten Stufe, verzögert wird. Folglich ist der Bereich zwischen 25 und 35
% bevorzugt. Ist der Wert innerhalb dieses Bereiches, so ist es mit dem Verbrennungsverfahren
gemäß der Erfindung möglich, die Verbrennung sowohl mit Kohlenstaub hoher als auch
niedriger Qualität durchzuführen.
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Um die durch das Verfahren zur Verbrennung von Kohlenstaub gemäß der
Erfindung auftretenden Ergebnisse besser zu sehen, werden nachfolgend Beispiele
im Vergleich zum Stand der Technik beschrieben.
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Staiid der Technik Bei der Verbrennung von in Japan geförderter staubförmiger
Kohle (Sorachi-Kohle) mit einem 3T/H Brenner, wurde die Verbrennung des Kohlenstaubes
in zwei Stufen ausgeführt.
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In der ersten Stufe wurde Abgas mit Verbrennungsluft in einer Menge
von 20 % der zur Verbrennung notwendigen Luft vermischt. In der zweiten Stufe war
Luft zur Verbrennung in einem Anteil von 20 % der zur Verbrennung notwendigen Luft
vorhanden.
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Beispiel 1 (gemäß der Erfindung) Bei der Verbrennung von in Japan
geförderter staubförmiger Kohle (Sorachi-Kohle) mit einem 3T/H Brenner wurde die
Verbrennung des Kohlenstaubes in zwei Stufen ausgeführt.
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In der ersten Stufe wurde Abgas mit Verbrennungsluft in einer Menge
von 35 % der zur Verbrennung notwendigen Luft vermischt. In der zweiten Stufe war
Luft zur Verbrennung in einem Anteil von 26 % der zur Verbrennung notwendigen Luft
vorhanden.
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Beispiel 2 (gemäß der Erfindung) Bei der Verbrennung von in Japan
geförderter staubförmiger Kohle (Sorachi-Kohle) mit einem 3T/H Brenner wurde die
Verbrennung des Kohlenstaubes in zwei Stufen ausgeführt. In der ersten Stufe wurde
Abgas mit Verbrennungsluft in einer Menge von 41 % der zur Verbrennung notwendigen
Luft vermischt. In der zweiten Stufe war Verbrennungsluft in einem Anteil von 30
% der zur Verbrennung notwendigen Luft vorhanden.
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Beispiel 3 (gemäß der Erfindung) Bei der Verbrennung von in Japan
geförderter staubförmiger Kohle (Sorachi-Kohle) mit einem 3T/H Brenner wurde die
Verbrennung des Kohlenstaubes in zwei Stufen ausgeführt.
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In der ersten Stufe wurde Abgas mit Verbrennungsluft in einer Menge
von 55 % der zur Verbrennung notwendigen Luft vermischt. In der zweiten Stufe war
Verbrennungsluft in einem Verhältnis von 34 % der zur Verbrennung notwendigen Luft
vorhanden.
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Die Konzentration des in den Abgasen bei der Verbrennung des Kohlenstaubes
in zwei Stufen auftretenden NO und CO wurde bei einem bekannten Verfahren und der
entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführten Verbrennung gemessen.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.
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Tabelle 1
| Konzentration des Konzentration des |
| NO (ppm) CO (ppm) |
| Stand der Technik 250 92 |
| Beispiel 1 9o 65 |
| Beispiel 2 61 83 |
| Beispiel 3 31 9o |
Wie deutlich der Tabelle 1 zu entnehmen ist, zeigen die nach den Beispielen 1 bis
3(gemäß der Erfindung), bei denen die Verbrennung in zwe4 Stufen durchgeführt wurde,
auftretenden Abgase eine geringere Konzentration an NO und CO als die mit dem bekannten
Verfahren ebenfalls in zwei Stufen durchgeführte
Verbrennung.
Dies zeigt, daß das erfindungsgemäß durchgeführte Verbrennungsverfahren die Menge
des in den Abgasen entstehenden NO Und CO deutlich vermindert.
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Die vorstehende Beschreibung zeigt, daß in dem Verfahren zur Verbrennung
von Kohlenstaub unter Verwendung eines Kohlenstaubbrenners gemäß der Erfindung der
Kohlenstaub in einer ersten Verbrennungs-Stufe mit Luft, die mit Abgas vermischt
ist, verbrannt wird, wobei der Anteil der für die Verbrennung des Kohlenstaubes
notwendigen Luft 35 bis 60 % beträgt, so daß die Verbrennung langsam und bei niedriger
Temperatur mit einer Flammenbildung von geringer Helligkeit stattfindet. Folglich
wird das bei der Verbrennung gebildete NO in seiner Menge vermindert und das gebildete
NO wird in seiner Konzentration durch Reduzierung zu N2 durch Kohle und unverbrannte
Bestandteile (Kohlenwasserstoffe, NH3, HCN und CO), die in einem weiten Bereich
in dem Ofen verteilt und dort für einen längeren Zeitraum vorhanden sind, vermindert.
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In der zweiten Stufe der Verbrennung wird Verbrennungsluft in einem
Anteil von 25 bis 35 % der zur Verbrennung notwendigen Luft zugeführt, um unverbranntes
CO und Kohle zu verbrennen und so die Konzentration des CO zu vermindern.
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Folglich liefert die Erfindung das ausgezeichnete Ergebnis der Reduzierung
der Konzentration des CO-Anteiles in dem Abgas.